Istanbul BFT共識算法解讀

Istanbul BFT共識算法詳細文檔

Istanbul BFT做爲BFT類算法的一種已經有過在以太坊上的實踐。雖然Istanbul目前還存在一些潛在的問題，但其算法思想和實現仍是值得學習和借鑑的。

源代碼：https://github.com/jpmorganchase/quorum

術語

• Validator: 區塊驗證者。
• Proposer: 出塊者。
• Round: 共識的輪數。一輪從出塊者提出一個區塊proposal開始，結束於區塊提交或者輪數改變（輪數改變可能因爲出錯或者區塊更新）。
• Proposal: 提出的一個在處理中的新的區塊。
• Sequence: proposal的高度。塊高和sequence相對應。
• Blocklog: 未來的信息記錄在backlog裏面。core.backlogs
• Round state: Round和Sequence綁定在一塊兒組成view，
• Consensus proof: 提交的區塊簽名。每一個validator對區塊驗證後會對其進行簽名。
• Snapshot: validator的投票狀態。

共識算法描述

Istanbul BFT修改自PBFT算法，包括三個階段：PRE-PREPARE、PREPARE以及COMMIT。在N個節點的網絡中，這個算法能夠最多容忍F個出錯節點，其中N=3F+1。在每一輪開始前，validator會選擇其中一個做爲proposer，默認以輪詢的方式（除此以外還有sticky的方式，搜索stickyProposer方法去看細節）。而後proposer會提出一個區塊的proposal，而且廣播PRE-PREPARE信息。一旦一個validator收到PRE-PREPARE信息，會把狀態標記爲PRE-PREPARED，而後廣播PREPARE信息。這一步是爲了確保全部的validator在同一個seqnence和round（代碼中爲view）上進行共識驗證。一旦收到2F+ 1個PREPARE信息，validator進入PREPARED狀態而後廣播COMMIT信息。這一步是爲了通知節點的peer已經接收到了提出的區塊，而且即將插入區塊到鏈中。最後，validator等待2F + 1個COMMIT信息，而後進入COMMITTED狀態而後插入區塊到鏈中。
Istanbul BFT算法中的區塊是肯定的，意味着鏈沒有分叉而且合法的區塊必定是在鏈中。爲了防止一個惡意節點生成不一樣的鏈，在把區塊插入進鏈以前，每個validator必須把2F + 1個COMMIT簽名放進區塊頭的extraData字段。所以，區塊時能夠自我驗證的（由於有簽名）而且輕客戶端也支持。然而動態的extraData也會形成區塊的hash計算問題。由於一個區塊能夠被不一樣的validator驗證，因此會有不一樣的簽名，因此同一個區塊會有不一樣的hash。解決的方案是，計算區塊hash的時候把COMMIT簽名排除在外。所以咱們任然能夠在保證block hash一致性的同時進行共識驗證。

共識狀態

• New Round: 一個proposer發送新的區塊proposal。validator等待PRE-PREPARE信息。
• PRE-PREPARED: 一個validator已經收到PRE-PREPARE信息，而且廣播PREPARE信息。而後等待2F + 1個PREPARE或者COMMIT信息。
• PREPARED: 一個validator已經收到2F + 1個PREPARE信息而且廣播COMMIT信息。而後等待2F + 1個COMMIT信息
• COMMITTED: 一個validator已經收到2F + 1個COMMIT信息而且此時可以把提出的block插入鏈中。
• FINAL COMMITTED: 一個validator已經成功把區塊插入了鏈中，而且等待下一輪。
• ROUND CHANGE: 一個validator等待關於同一個round下的2F + 1個ROUND CHANGE信息。

狀態轉換

• NEW ROUND -> PRE-PREPARED:
  • Proposer在txpool中收集交易。
  • Proposer提出一個區塊proposal而且廣播給validator。而後進入PRE-PREPARED狀態。
  • 每個validator進入到PRE-PREPARED狀態，一旦收到PRE-PREPARED信息而且伴隨着如下狀況:
    • 區塊proposal是來自於有效的proposer。
    • 區塊頭有效。
    • 區塊proposal的sequence和round和validator的狀態匹配。
  • Validator廣播PREPARE信息給其餘validators。
• PRE-PREPARED -> PREPARED:
  • Validator收到2F + 1個有效的PREPARE信息，所以而進入PREPARED狀態。有效信息須要知足如下條件：
    • sequence和round匹配。
    • 交易hash匹配。
    • 信息是來自已知的validators。
  • 一旦進入PREPARED狀態，Validator廣播COMMIT信息。
• PREPARED -> COMMITTED:
  • Validator收到2F + 1個·有效的COMMIT信息，以此進入COMMITTED狀態。有效的信息須要知足如下條件：
    • sequence和round匹配。
    • block hash匹配
    • 信息是來自已知的validators。
• COMMITTED -> FINAL COMMITTED:
  • Validator把2F + 1個commitment簽名放進區塊頭的extraData而且嘗試插入區塊進區塊鏈。
  • 當插入區塊成功，Validator進入FINAL COMMITTED狀態。
• FINAL COMMITTED -> NEW ROUND:
  Validators選一個新的proposer開始新的一輪。

潛在問題

• Fail-Stop failures
• 這篇文章詳細分析了IBFT
• 沒有激勵機制